最新刊期
      2023 年 第 13 期

        现代应用光学

      • 朱建华,周起成,郝丽萍,孙宇,高世勇
        2023, 31(13): 1871-1879. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1871
        摘要：为了实现在无外加电源情况下对紫外光的长时间探测，基于WO3纳米片制备了具有自供能特性的紫外探测器。采用水热法在FTO玻璃衬底上成功制备了WO3纳米片阵列，并通过SEM、XRD等手段对样品进行分析，研究结果显示，长度约为2 μm、厚度约为200 nm的单斜相WO3纳米片均匀致密地生长并覆盖在整个衬底表面。制备的WO3纳米片的光吸收范围集中在紫外波段，对330~440 nm的光具有强的吸收能力。以WO3纳米片为工作电极制备了紫外探测器，测试结果表明，WO3纳米片紫外探测器能够在无外加偏压的情况下有效探测紫外光，且具有自供能特性。探测器的光电性能表现出高光响应电流（约为171 μA）和快速响应特性（上升时间约为25.7 ms，下降时间约为38.7 ms），并在多次紫外光开/关下保持良好的稳定性与重复性。  
        关键词：紫外探测器;三氧化钨;纳米片;水热法   
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        发布时间：2023-07-17
      • 宋健超,张雷,马维光,尹王保,贾锁堂
        2023, 31(13): 1880-1889. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1880
        摘要：实时获知煤炭发热量对于及时调整电站锅炉风粉配比和提高煤炭燃烧效率具有重要意义，为了实现电力生产中发热量的稳定快速检测，提出了一种近红外光谱（Near Infrared Spectroscopy， NIRS）与X射线荧光光谱（X-ray Fluorescence， XRF）联用的煤炭发热量高稳定检测方法，它结合了NIRS能高稳定检测煤中与发热量正相关的有机基团的优势与XRF能高稳定检测与发热量负相关的成灰元素的特点，大大提高了对煤炭发热量的测量重复性。在光谱预处理中，先将两套光谱融合作为偏最小二乘回归的输入变量进行全谱初步建模，依据回归系数选择NIRS光谱中的有效波段，再将它与XRF光谱中的成灰元素谱线一并融合进行归一化处理。建模时将预处理后的融合光谱数据作为输入变量，利用偏最小二乘回归对煤炭发热量进行建模。实验结果表明，NIRS-XRF联用方法对定标集煤样发热量预测的线性相关度系数（R2）为0.995，对验证集煤样发热量预测的最小均方根误差、平均相对误差和标准偏差分别为0.24 MJ/kg，0.61%和0.05 MJ/kg，测量重复性满足小于0.12 MJ/kg的国家标准。NIRS-XRF联用的煤炭发热量高稳定检测方法有望推广应用于火力发电、煤化工、冶金、水泥和焦化等“高碳”行业，助力我国按期实现碳中和目标。  
        关键词：近红外光谱;X射线荧光光谱;光谱融合;煤炭发热量;高稳定检测   
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        发布时间：2023-07-17
      • 林贤锦,吴祖伟,叶瑞乾,王磊
        2023, 31(13): 1890-1899. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1890
        摘要：为了实现芯片封装凸点（Bump）高度的测量，建立了基于白光三角法的测量系统，并提出了一种复杂背景下Bump高度的测量方法。根据提出的测量模型搭建了Bump高度测量系统，利用U-Net深度学习模型进行光条图像的分割并结合灰度重心法和插值法提取完整的光条中心，以克服复杂背景的干扰。然后，对测量系统进行标定以确定像素值与实际高度值的对应关系。最后，通过函数拟合的方式确定Bump的高度。实验结果表明：Bump高度的测量重复性平均值为0.21 μm，标准差为0.095 μm；测量平均误差为-0.04 μm，标准差为0.408 μm。该方法在复杂背景下对Bump高度的测量精准度高、稳定性好，可满足芯片封装中晶圆Bump共面性在线检测的要求。  
        关键词：芯片检测;深度学习;光条中心;凸点测量   
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        发布时间：2023-07-17
      • 徐晶,王钎潮,任正玮,付飞蚺,方明
        2023, 31(13): 1900-1908. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1900
        摘要：为有效解决高精度视觉定位测量系统中激光随机散斑导致的光斑质心定位精度降低问题，对散斑机理及抑制方法进行研究。从激光光斑的成像过程分析了激光随机散斑出现的原因，并推导出空间中任意一点总波扰表达式。建立了成像介质吸光性、粗糙度和表面出射光信噪比与随机散斑强度的关系模型，得出增加成像介质粗糙度和吸光性来提高出射光信噪比，进而降低随机散斑强度的结论。通过改变成像介质的物理特性进行对比实验，获得光斑质心位置稳定性随成像介质物理特性变化的趋势，验证了关系模型的正确性。实验结果表明，当激光功率为50 mW时，选取吸光性强、粗糙度与厚度适中的成像介质作为成像靶面，激光光斑质心的提取精度稳定在0.04个pixel之内，实现了对激光散斑的抑制，提高了光斑质心的定位精度。  
        关键词：激光光斑;动态散斑;光的散射;分子运动论;微表面模型   
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        发布时间：2023-07-17

        微纳技术与精密机械

      • 李秋怡,周天丰,周佳,胡君剑,赵斌
        2023, 31(13): 1909-1921. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1909
        摘要：鉴于以光刻胶为代表的高分子材料的切削特性决定了掩膜微细结构的加工质量，以SU8为研究对象，结合实验和仿真分析研究了光刻胶掩膜的切削特性。通过纳米压痕法测试了光刻胶SU8的应力-应变关系，建立了基于能量法的SU8切削仿真模型，然后采用AdvantEdge FEM模拟了不同切削参数下光刻胶SU8的切削过程，最后开展了光刻胶SU8的超精密加工实验。结合仿真与实验结果，分析了切削参数和刀具前角对表面质量的影响规律，优化了光刻胶SU8的切削加工参数。结果表明：表面粗糙度随着切削速度的增大呈现减小的趋势，随着进给速度和切削深度的增加呈现增大的趋势；当切削速度为2.09 m/s、进给速度为1 mm/min、切削深度为2 μm、刀具前角为0°时，光刻胶掩膜的表面粗糙度Ra达到最优为7.4 nm，无微裂纹等微观缺陷。基于切削仿真与实验结果对加工参数进行优化，并在光刻胶SU8掩膜上实现了高精度微透镜阵列结构的加工。  
        关键词：超精密切削;掩膜加工;切削仿真;光刻胶SU8;微透镜阵列   
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        发布时间：2023-07-17
      • 付金宝,张洪文,黄厚田,张雷
        2023, 31(13): 1922-1932. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1922
        摘要：在某型面阵分幅步进成像的航空光电载荷中，俯角分幅步进控制系统存在位置给定突变以及电机启停导致机身整体微晃动的问题，使系统调整时间延长超过时序控制并影响成像效果。提出了串级动态复合限幅控制方法，在带有Anti-Windup的主副回路串级控制基础上，根据“一周拍照开始信号”和“位置/速度控制信号”动态规划电压限幅和速度限幅的幅值，实现对步进给定突变的自适应以及根据需要减小机身整体微晃动影响，最终满足载荷时序控制要求。控制实验测试及动态成像实验表明：在该航空光电载荷俯角分幅步进控制系统采用串级动态复合限幅控制后，实现了拍照段步进位置和返程段回位控制的快速性和稳态性能，拍照段位置步进控制的稳态调整时间缩短了26.56%，返程段位置回位控制的稳态调整时间缩短了18.47%。该方法满足载荷时序控制要求，提高了动态成像的横向像移补偿效果。  
        关键词：航空光电载荷;航空相机;限幅;抗饱和;串级控制   
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        发布时间：2023-07-17
      • 黄强先,程保林,张弛斌,张帆,张连生
        2023, 31(13): 1933-1940. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1933
        摘要：微位移工作台是实现高精度定位的关键部件，传统的工作台自由度少且分辨力不高，不能满足应用需求，因此提出一种六自由度高精度微位移工作台结构方案并验证了其性能。在整体结构上采用“串并联混合驱动”的方式和中空结构，将六个自由度的运动合理地分布在平动层，转动层和支撑层三层结构中，并设计开发了工作台的运动控制系统以及一套可搭配使用的运动控制软件。实验结果表明，X，Y，Z轴线位移分别优于20，20和37 μm，角位移行程分别优于39″，33″和27″；线位移分辨力均优于0.7 nm，角位移分辨力均优于0.1″。所提出的六自由度微位移工作台相比于传统工作台具有自由度多、极高分辨力等优点，有望在超精密加工，微电子制造等领域中获得广泛的应用。  
        关键词：微动工作台;亚纳米分辨力;六自由度;运动控制系统   
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        发布时间：2023-07-17
      • 于硕,王玮,李文昊,吉日嘎兰图
        2023, 31(13): 1941-1949. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1941
        摘要：机械刻划是以中阶梯光栅为主导的大闪耀角、高衍射级次光栅的主要加工方法，其大闪耀角特性使中阶梯光栅的刻划加工难度大幅增加。当光栅刻划刀对刃误差较大，或刀具非力平衡设计时，刻划过程中刀具会受到较大水平扭矩，易导致刀具颤振现象，从而影响光栅质量。为抑制刀具颤振，提高光栅刻划稳定性，针对光栅刻划刀弹性支撑机构的颤振抑制性能开展研究，提出了双层平行弹簧支撑机构。通过有限元仿真对比分析了新旧刀架机构的结构刚度和模态特性，并利用加速度传感器测试了两种刀架机构的刻划刀具颤振状态，对比了两种刀架对颤振的抑制效果。结果表明，双层平行弹簧刀架机构受刻划扭矩时，在刀具夹持处及柔性铰链处的变形较传统刀架结构分别减少了36%和24%，一阶模态提升了2.8倍。颤振信号在时域下基线两侧幅值分别降低了13.6%及22.5%。光栅刻划实验表明，新机构有利于刻划制造中阶梯光栅，所提出的刀架优化设计方法和颤振抑制技术可为光栅刻划制造技术提供理论指导。  
        关键词：机械刻划法;刻划刀架;颤振信号;中阶梯光栅   
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        发布时间：2023-07-17

        信息科学

      • 王爱丽,丁姗姗,刘和,吴海滨,岩堀祐之
        2023, 31(13): 1950-1961. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1950
        摘要：针对跨场景高光谱遥感图像分类中源域和目标域的频谱偏移问题，提出一种结合空谱域适应与极度梯度提升树（eXtreme Gradient Boosting， XGBoost）的跨场景高光谱图像分类模型。将深度超参数卷积模型（Depthwise Over-parameterized Convolution Model，DOCM）和大核注意力（Large Kernel Attention，LKA）结合，构成空谱注意力模型，提取源域空谱特征。利用相同的空谱注意力模型对目标域进行特征提取，并与鉴别器完成对抗域适应，减少源域与目标域之间的频谱偏移；通过目标域中少量有标签数据对目标域特征提取器进行有监督域适应，使目标域特征提取器进一步学习目标域的真实分布，并对源域和目标域的特征进行映射，形成相似的空间分布，完成聚类域适应。最后，使用集成分类器XGBoost进行高光谱图像分类，进一步提高模型的训练速度与置信度。在Pavia和Indiana高光谱数据集上的实验结果表明，本文算法的总体分类精度分别达到了91.62%和 65.98%。相比较于其他跨场景高光谱图像分类模型，本文所提模型具有更高的地物分类精度。  
        关键词：高光谱图像;域适应;大核注意力;XGBoost   
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        发布时间：2023-07-17
      • 陈丽,李临寒,王世勇,高思莉,叶祥舟
        2023, 31(13): 1962-1972. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1962
        摘要：针对现有遥感船舶数据集均为裁剪后的图像，用数据集训练的检测算法直接运用于卫星图像原始尺度时检测效果较差的问题，建立了可见光和近红外4个波段的多光谱卫星船舶数据集MMShip，数据集同时包含卫星图像的原始尺度数据和切割后的小尺度船舶数据。本数据集引入多波段信息，弥补现有数据集多为可见光图像，而可见光容易受到光照条件等影响的缺点。在全球海域内下载云量低于3的Sentinel-2卫星图像，进行大气校正后只选取10 m分辨率的红绿蓝和近红外4个波段，以景为单位筛选出包含有船舶的图像。把筛选后的图像按无重叠的方式切分为512×512，剔除其中不包含船舶目标的图像。然后，使用LabelImage软件对小尺度数据进行了水平框标注，再将标注数据反推至原始尺度得到原始尺度下的标注信息。最后，利用几种典型的检测算法在切割后的MMShip小尺度数据集上进行了可见光、近红外、多光谱对比实验。构建了一个涵盖不同场景的多光谱卫星船舶目标数据集，包含497景原始尺度标注数据和裁剪后的5 016组船舶目标图像。对比实验验证了近红外波段信息的补充有助于提高船舶目标检测算法的精度。多光谱船舶数据集MMShip可用于卫星图像尺度和普通图像尺度的多光谱船舶目标检测算法研究。  
        关键词：多光谱遥感;数据集;船舶目标;Sentinel-2   
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        发布时间：2023-07-17
      • 王梦菲,王卫星,李理敏
        2023, 31(13): 1973-1987. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1973
        摘要：多重熵阈值（MET）随阈值个数K的增加其运算时间成倍增长，而相关优化策略的精度与稳定性低，使得分割的骨料图像缺失大量表面粗糙度与边缘等特征信息。为了克服这一问题，提出了一种基于混沌麻雀搜索算法（SSA）优化MET的骨料自动分割模型。为增强SSA的全局优化能力和鲁棒性，在种群位置初始化时加入Logistic混沌映射均匀麻雀分布，并提出扩张参数扩大全局搜索，控距精英变异及时跳出局部停滞，将该算法称为LSSA，可以在不降低收敛速度的情况下提升求解质量。LSSA用于MET参数的自动选取，以Renyi熵、对称交叉熵和Kapur熵作为目标函数，快速确定最佳阈值集。对不同特征的骨料图像进行了分割实验，通过对比6类组合算法与FCM算法，证明了LSSA-MET的有效性，随着K的增加仍然保持着较快的运行速度，即使K=6时，平均分割一张图片也只需1.532 s。其中LSSA-Renyi熵表现最佳，峰值信噪比、结构相似性和特征相似度分别提高了29.92%，10.67%和5.16%，有效地保留了骨料表面纹理和边缘特征，同时达到了精度与速度的最佳平衡。  
        关键词：图像分割;骨料;多重熵阈值;优化;麻雀搜索算法;Logistic映射   
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        发布时间：2023-07-17
      • 郭明,唐星雨,刘运明,王长委,韦宇劲
        2023, 31(13): 1988-1999. DOI: 10.37188/OPE.20233113.1988
        摘要：为了解决地铁建设和运营阶段会对地面造成不同程度的影响，特别是海岛建设地铁，其地形地貌环境复杂，土层不稳定，地面形变研究困难等问题。基于哨兵-1的38景影像数据和自主采集的隧道点云数据，采用永久散射体合成孔径雷达测量技术、差分干涉测量短基线集时序分析技术和激光雷达技术对厦门岛范围内的地铁2号线沿线区域进行研究。将合成孔径雷达的两种技术结果进行精度对比，并与水准数据进行比较，验证其准确性，最后结合激光雷达技术对该地铁内部隧道扫描获取点云数据进行形变结果对比。实验表明，PS-InSAR技术形变速率在-24.21~24.19 mm/y之间，而基于SBAS-InSAR 技术的形变速率则在-22.86~33.79 mm/y，两种方法在形变监测过程中表现基本一致；与水准测量结果对比得到二者之间存在一定误差，误差集中在±7 mm以内，部分与水准点距离较远的误差在13 mm左右；而地下隧道沉降在-43.4~104.1 mm之间，中误差为28.44 mm，其结果与地面形变差异巨大。经过多次验证得知地下轨道交通隧道受到地面形变的影响较小。  
        关键词：激光雷达;合成孔径雷达;地表形变;隧道形变   
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        发布时间：2023-07-17
      • 王睿,樊思杨,许婧文,温志庆
        2023, 31(13): 2000-2007. DOI: 10.37188/OPE.20233113.2000
        摘要：在室内实例物体目标检测中，传统深度学习需要大量人工标注的训练样本进行网络训练，费时费力，为此提出并实现了一种采用奇异值分解（Singular Value Decomposition，SVD）和协同训练的半监督实例级目标检测网络SVD-RCNN。挑选关键样本进行人工标注并预训练SVD-RCNN，以确保其获取更多先验知识，采用基于SVD的收敛-分解-微调策略，在SVD-RCNN中得到两个较强独立性的检测器以满足协同训练的要求，最后提出一种自适应的自标注策略，获得高质量的自标注及检测结果。在多个室内实例数据集上对该方法进行测试，在GMU数据集上只需人工标注199个样本，均值平均精度（mean Average Precision，mAP）达到了79.3%，相较于需标注3 851个样本的全监督Faster RCNN的81.3% mAP仅下降了2%。消融实验及系列实验证明了本文方法的有效性和普适性，本文提出的方法仅需人工标注5%的训练数据，即可达到与全监督学习相当的实例级目标检测精度，有利于智能机器人高效识别不同实例物体的实际应用。  
        关键词：计算机视觉;目标检测;半监督学习;自标注   
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